node進(jìn)程間通信

作為一名合格的程序猿/媛双藕，對(duì)于進(jìn)程蠢甲、線程還是有必要了解一點(diǎn)的呻澜，本文將從下面幾個(gè)方向進(jìn)行梳理，盡量做到知其然并知其所以然：

進(jìn)程和線程的概念和關(guān)系
進(jìn)程演進(jìn)
進(jìn)程間通信
理解底層基礎(chǔ)涂臣，助力上層應(yīng)用
進(jìn)程保護(hù)

進(jìn)程和線程的概念和關(guān)系

用戶下達(dá)運(yùn)行程序的命令后盾计，就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)程。同一程序可產(chǎn)生多個(gè)進(jìn)程（一對(duì)多關(guān)系）赁遗，以允許同時(shí)有多位用戶運(yùn)行同一程序闯估，卻不會(huì)相沖突。

進(jìn)程需要一些資源才能完成工作吼和，如CPU使用時(shí)間、存儲(chǔ)器骑素、文件以及I/O設(shè)備炫乓，且為依序逐一進(jìn)行刚夺，也就是每個(gè)CPU核心任何時(shí)間內(nèi)僅能運(yùn)行一項(xiàng)進(jìn)程。

進(jìn)程與線程的區(qū)別：進(jìn)程是計(jì)算機(jī)管理運(yùn)行程序的一種方式末捣，一個(gè)進(jìn)程下可包含一個(gè)或者多個(gè)線程侠姑。線程可以理解為子進(jìn)程。

摘自wiki百科

也就是說箩做，進(jìn)程是我們運(yùn)行的程序代碼和占用的資源總和莽红，線程是進(jìn)程的最小執(zhí)行單位，當(dāng)然也支持并發(fā)邦邦“灿酰可以說是把問題細(xì)化，分成一個(gè)個(gè)更小的問題燃辖，進(jìn)而得以解決鬼店。

并且進(jìn)程內(nèi)的線程是共享進(jìn)程資源的，處于同一地址空間黔龟，所以切換和通信相對(duì)成本小妇智，而進(jìn)程可以理解為沒有公共的包裹容器。

但是如果進(jìn)程間需要通信的話氏身，也需要一個(gè)公共環(huán)境或者一個(gè)媒介巍棱，這個(gè)就是操作系統(tǒng)。

進(jìn)程演進(jìn)

我們的計(jì)算機(jī)有單核的蛋欣、多核的航徙，也有多種的組合方式：

單進(jìn)程

因?yàn)槭且粋€(gè)進(jìn)程，所以某一時(shí)刻只能處理一個(gè)事務(wù)豁状，后續(xù)需要等待捉偏，體驗(yàn)不好

多進(jìn)程

為了解決上面的問題，但是如果有很多請(qǐng)求的話泻红，會(huì)產(chǎn)生很多進(jìn)程夭禽，開銷本身就是一個(gè)不小的問題，而進(jìn)程占據(jù)獨(dú)立的內(nèi)存谊路，這么多響應(yīng)是的進(jìn)程難免會(huì)有重復(fù)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)讹躯，會(huì)造成資源浪費(fèi)。

多進(jìn)程多線程

由之前的進(jìn)程處理事務(wù)缠劝，改成使用線程處理事務(wù)潮梯，解決了開銷大，資源浪費(fèi)的問題惨恭，還可以使用線程池秉馏，預(yù)先創(chuàng)建就緒線程，減少創(chuàng)建和銷毀線程的開銷脱羡。

但是一個(gè)cpu某一時(shí)刻只能處理一個(gè)事務(wù)萝究。像時(shí)間分片來調(diào)度線程的話免都，會(huì)導(dǎo)致線程切換頻繁，是非常耗時(shí)的帆竹。

單進(jìn)程單線程

類似也就是v8绕娘，基于事件驅(qū)動(dòng)，有效的避免了內(nèi)存開銷和上下文切換栽连，只需要線程間通信险领，即可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行事務(wù)結(jié)果等的反饋。

但是遇到計(jì)算量很大的事務(wù)秒紧，會(huì)阻塞后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行绢陌。像這樣：

image

單進(jìn)程單線程(多進(jìn)程架構(gòu))

node提供了cluster和child_process兩個(gè)模塊進(jìn)行進(jìn)程的創(chuàng)建，也就是我們常說的主(Master)從(Worker)模式噩茄。Master負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度和管理Worker進(jìn)程下面，Worker進(jìn)行事務(wù)處理。

image

進(jìn)程間通信

node本身提供了cluster和child_process模塊創(chuàng)建子進(jìn)程绩聘，本質(zhì)上cluster.fork()是child_process.fork()的上層實(shí)現(xiàn)沥割，cluster帶來的好處是可以監(jiān)聽共享端口，否則建議使用child_process凿菩。

child_process

child_process提供了異步和同步的操作方法机杜，具體可查看文檔。

常見的異步方法有：

.exec
.execFile
.fork
.spawn

除了fork出來的進(jìn)程會(huì)長期駐存外衅谷，其他方式會(huì)在子進(jìn)程任務(wù)完成后以流的方式返回并銷毀進(jìn)程椒拗。

異步方法會(huì)返回ChildProcess的實(shí)例，ChildProcess不能直接創(chuàng)建获黔，只能返回蚀苛。

來看幾張圖吧：

image

舉個(gè)例子

有一個(gè)很長很長的循環(huán)，如果不開啟子進(jìn)程玷氏，會(huì)等循環(huán)之后才能執(zhí)行之后的邏輯堵未。

我們可以將耗時(shí)的循環(huán)放到子進(jìn)程中，主進(jìn)程會(huì)接受子進(jìn)程的返回盏触，不影響后續(xù)事物的處理渗蟹。

// 主進(jìn)程
const execFile = require('child_process').execFile;

execFile('./child.js', [], (err, stdout, stderr) => {
    if (err) {
        console.log(err);
        return;
    }
    console.log(`stdout: ${stdout}`);
});
console.log('用戶事務(wù)處理');

// 子進(jìn)程
#!/usr/bin/env node

for (let i = 0; i < 10000; i++) {
    process.stdout.write(`${i}`);
}

而對(duì)于fork，它是專門用來生產(chǎn)子進(jìn)程的赞辩，也可以說是主進(jìn)程的拷貝雌芽，返回的ChildProcess中會(huì)內(nèi)置額外的通信通道，也就是IPC通道辨嗽，允許消息在父子進(jìn)程間傳遞世落，例如通過文件描述符，不過由于創(chuàng)建的是匿名通道糟需，所以只有主進(jìn)程可以與之通信岛心，其他進(jìn)程無法進(jìn)行通信来破。但相對(duì)的還有命名通道，詳見下一節(jié)忘古。

看一個(gè)簡單的例子:

//parent.js
const cp = require('child_process');
const n = cp.fork(`${__dirname}/sub.js`);
n.on('message', (m) => {
    console.log('PARENT got message:', m);
});
n.send({ hello: 'world' });

//sub.js
process.on('message', (m) => {
    console.log('CHILD got message:', m);
});
process.send({ foo: 'bar' });

父進(jìn)程通過fork返回的ChildProcess進(jìn)行通信的監(jiān)聽和發(fā)送，子進(jìn)程通過全局變量process進(jìn)行監(jiān)聽和發(fā)送诅诱。

cluster

cluster本質(zhì)上也是通過child_process.fork創(chuàng)建子進(jìn)程髓堪，他還能幫我們合理的管理進(jìn)程。

const cluster = require('cluster');
// 判斷是否為主進(jìn)程
if (cluster.isMaster) {
    const cpuNum = require('os').cpus().length;
    for (let i = 0; i < cpuNum; ++i) {
        cluster.fork();
    }

    cluster.on('online', (worker) => {
        console.log('Create worker-' + worker.process.pid);
    });

    cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
        console.log(
            '[Master] worker ' +
                worker.process.pid +
                ' died with code:' +
                code +
                ', and' +
                signal
        );
        cluster.fork(); // 重啟子進(jìn)程
    });
} else {
    const net = require('net');
    net.createServer()
        .on('connection', (socket) => {
            setTimeout(() => {
                socket.end('Request handled by worker-' + process.pid);
            }, 10);
        })
        .listen(8989);
}

細(xì)心地你可能發(fā)現(xiàn)多個(gè)子進(jìn)程監(jiān)聽了同一個(gè)端口娘荡，這樣不會(huì)EADDRIUNS嗎干旁？

其實(shí)不然，真正監(jiān)聽端口的是主進(jìn)程炮沐，當(dāng)前端請(qǐng)求到達(dá)時(shí)争群，會(huì)將句柄發(fā)送給某個(gè)子進(jìn)程。

理解底層基礎(chǔ)大年，助力上層應(yīng)用

進(jìn)程間通信(IPC)大概有這幾種：

匿名管道
命名管道
信號(hào)量
消息隊(duì)列
信號(hào)
共享內(nèi)存
套接字

從技術(shù)上劃分又可以劃分成以下四種：

消息傳遞(管道换薄，F(xiàn)IFO，消息隊(duì)列)
同步(互斥量翔试，條件變量轻要，讀寫鎖等)
共享內(nèi)存(匿名的，命名的)
遠(yuǎn)程過程調(diào)用

文件描述符是什么垦缅？

在linux中一切皆文件冲泥，linux會(huì)給每個(gè)文件分配一個(gè)id，這個(gè)id就是文件描述符壁涎，指針也是文件描述符的一種凡恍。這個(gè)很好理解，不過我們可以再往深了說怔球，一個(gè)進(jìn)程啟動(dòng)后嚼酝，會(huì)在內(nèi)核空間(虛擬空間的一部分)創(chuàng)建一個(gè)PCB控制塊，PCB內(nèi)部有一個(gè)文件描述符表庞溜，記錄著當(dāng)前進(jìn)程所有可用的文件描述符（即當(dāng)前進(jìn)程所有打開的文件）革半。系統(tǒng)出了維護(hù)文件描述符表外，還需要維護(hù)打開文件表(Open file table)和i-node表(i-node table)流码。

文件打開表(Open file table)包含文件偏移量又官，狀態(tài)標(biāo)志，i-node表指針等信息

i-node表(i-node table)包括文件類型漫试，文件大小六敬，時(shí)間戳，文件鎖等信息

文件描述符不是一對(duì)一的驾荣，它可以：

同一進(jìn)程的不同文件描述符指向同一文件
不同進(jìn)程可以擁有相同的文件描述符(比如fork出的子進(jìn)程擁有和父進(jìn)程一樣的文件描述符外构，或者不同進(jìn)程打開同一文件)
不同進(jìn)程的同一文件描述符也可以指向不同的文件
不同進(jìn)程的不同文件描述符也可以指向同一個(gè)文件

上面提及了很多可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的方式普泡，那node進(jìn)程間通信是以什么為基礎(chǔ)的呢？

nodeIPC通過管道技術(shù) 加事件循環(huán)方式進(jìn)行通信审编，管道技術(shù)在windows下由命名管道實(shí)現(xiàn)撼班，在*nix系統(tǒng)則由Unix Domain socket實(shí)現(xiàn)，提供給我們的是簡單的message事件和send方法垒酬。

那管道是什么呢砰嘁？

管道實(shí)際上是在內(nèi)核中開辟一塊緩沖區(qū)，它有一個(gè)讀端一個(gè)寫端勘究，并傳給用戶程序兩個(gè)文件描述符矮湘，一個(gè)指向讀端，一個(gè)指向?qū)懚丝诳诟猓缓笤摼彺鎱^(qū)存儲(chǔ)不同進(jìn)程間寫入的內(nèi)容缅阳，并供不同進(jìn)程讀取內(nèi)容，進(jìn)而達(dá)到通信的目的景描。

管道又分為匿名管道和命名管道十办，匿名管道常見于一個(gè)進(jìn)程fork出子進(jìn)程，只能親緣進(jìn)程通信伏伯，而命名管道可以讓非親緣進(jìn)程進(jìn)行通信橘洞。

image

其實(shí)本質(zhì)上來說進(jìn)程間通信是利用內(nèi)核管理一塊內(nèi)存，不同進(jìn)程可以讀寫這塊內(nèi)容说搅，進(jìn)而可以互相通信炸枣，當(dāng)然，說起來簡單弄唧，做起來難适肠。有興趣的朋友可以自行研究。

進(jìn)程保護(hù)

可以用cluster建立主從進(jìn)程架構(gòu)候引，主進(jìn)程調(diào)度管理和分發(fā)任務(wù)給子進(jìn)程侯养，并在子進(jìn)程掛掉或斷開連接后重啟。

pm2是對(duì)cluster的一種封裝澄干，提供了：

內(nèi)奸負(fù)載均衡
后臺(tái)運(yùn)行
停機(jī)重載
具有Ubuntu逛揩、CentOS的啟動(dòng)腳本
停止不穩(wěn)定的進(jìn)程
控制臺(tái)檢測
有好的可視化界面

具體原理和細(xì)節(jié)以后有空再做分析。

文中若有錯(cuò)誤的地方麸俘，歡迎指出辩稽，我會(huì)及時(shí)更新。希望讀者借鑒的閱讀从媚。

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參考鏈接